II Les caméras à transfert de charges 1 Historique Les CCDs (Charge Coupled Devices) ont été inventées au laboratoire Bell en 1969 par George Smith and Willard Boyle (prix Nobel de physique 2009). A l origine, analogue à une mémoire magnétique (magnetic bubble memory), mais à base d un semi-conducteur (Silicium). La CCD n est pas un bon support mémoire à cause du courant d obscurité (bruit thermique). La CCD présente de part son design des avantages certains pour faire des vidéos ou des images. Explosions commerciales à partir des années 80 (CCD type n). 1
Dessin originel sur le principe de fonctionnement d une CCD à 3 phases Note originelle sur le concept de la CCD 2
Image de Saturne prise par une caméra CCD sur la mission Cassini Image de Saturne prise par une des premières caméras CCD (8300Å et 8900Å) 3
Une CCD de 2000 x 2000 pixels (27 μm) construit par Technix dans les années 80. 4
Image 1000 x 600 prise par une CCD de 4000 x 4000 pixels (15 μm). Une CCD de 4000 x 4000 pixels (15 μm) construit par Loral au début des années 90. Vue magnifiée 300 x 400 Vue magnifiée 112 x 150 (pixels visibles) 5
2 Domaines d applications Les CCDs sont utilisées dans de nombreuses applications (commerciales, médicales, scientifiques & militaires). Plusieurs modes de fonctionnement (vidéo, imagerie) Camescope numérique Caméra numérique Endoscope avec une CCD 6
Caméra de recul pour les automobiles Capteur CCD (une ligne) pour les fax Appareil pour lire les codes barres 7
Kepler (visible) Observatoire XMM-Newton (ESA) Domaine X Plan focal Caméra MOS Caméra PN 8
HAWK-I (High Acuity Wide field K-band Imager) = caméra proche IR installée sur Yepun, le 4ème télescope du VLT (Very Large Telescope) (4127 x 2912 pixels) MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) Ensemble de 24 spectrographes couplés à un système d'optique adaptative = 24 CCDs (16 millions de pixels). Installation en 2012 au VLT 9
3 Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement d une CCD repose sur 4 tâches : 1. La génération de charges (électrons ou trous) 3. La collection des charges 5. Le transfert de charges 7. La mesure de charges 10
4 Création des charges a) Structure d un photo-site La CCD est composée d une matrice de photo-sites qui permet de d échantillonner la lumière provenant de l objet observé. +V1 +V2 +V3 Electrodes (Si polycristallin) Oxyde (SiOs) Canal enterré (Si dopé N) Couche épitaxiale (Si dopé P) Un photo-site est une cellule MOS (Metal/Oxyde/Silicium) polarisable. Le photo-site agit comme un puits de potentiel permettant de stocker les électrons générés dans le canal enterré. substrat (Si dopé P+) Structure simplifiée d un photo-site 11
Pourquoi a-t-on besoin du canal enterré? Soit une cellule MOS sans canal enterré L application d une polarisation négative va entraîner une accumulation des porteurs majoritaires (trous) à la frontière Si-SiO2. La capacité de la grille associée est : ε C OX = OX d avec COX, la capacité de l oxyde et εox, la permittivité du SiO2 (3,45 x 10-13 SI) et d est l épaisseur de l oxyde. L application d une polarisation positive va faire apparaître une zone déplétée (xd) dans la couche épitaxiale. Cette zone est non-conductive et agit comme un ε Si isolant avec une capacité : C dep= xd avec εsi = 1,04 x 10-12 SI, la permittivité du silicium. 12
La capacité totale est : CT= 1 1 C OX C dep 1 On peut montrer que le potentiel au sein du silicium évolue comme : V= qn A 2εSi x x d 2 Le potentiel de surface (frontière SiO2-Si, x=0) VS > V(x 0) Ceci forme un puits de potentiel. Les photo-électrons vont s accumuler à l interface SiO2-Si où il vont se recombiner avec les impuretés accepteurs ionisées. La capacité maximale du puits de potentiel est définie comme la quantité de charges requises pour que VS = 0 (xd=0). 13
Les CCDs avec puits de potentiel de surface ont un sérieux problème pour assurer une bonne efficacité de transfert du fait des nombreux défauts de surface à l interface SiO2-Si qui vont piéger une fraction des photo-électrons. L ajout d un canal enterré permet de stocker les charges en deçà de l interface SiO2-Si et d améliorer de manière très significative l efficacité de transfert. CCD avec un canal enterré 14
Evolution du puits de potentiel en fonction du nombre de charges stockées 15
b) Différentes régions dans une cellule MOS +V1 +V2 +V3 Région déplétée Région libre de champ substrat E La polarisation des électrodes crée un champ électrique au sein de la cellule MOS. Il existe 3 zones : - une région déplétée s étendant dans la couche épitaxiale où les charges ressentent pleinement le champ E - une région libre de champ (FF) (E ~ 0) - le substrat (S) (E = 0) 16
Région déplétée (depleted region) Le canal enterré doit être complétement déplété pour que les photo-électrons soient distinguables. La jonction PN et la polarisation permet de créer cette zone déplétée. Les photo-électrons vont s accumuler dans le canal enterré. Région de champ libre (field-free region) Les charges mobiles (électrons et trous) ne ressentent plus le champ électrique. Les charges vont se déplacer sous l action de la diffusion. Si les charges formées dans cette zone atteignent la zone déplétée, elles sont collectées dans le canal enterré. Sinon, elles recombinent. La collection des charges dans cette zone n est que partielle. Substrat (substrate region) Les charges mobiles ne ressentent plus le champ électrique. Les charges vont se déplacer sous l action de la diffusion sur une distance plus faible (Ldiff,FF > Ldiff,S) et vont pour l essentiel recombiner très vite (dû au fort dopage P) dans le substrat (à part à la frontière avec la couche épitaxiale). 17
Impact de la diffusion dans la région FF et le substrat Lorsque les charges diffusent dans la région FF (et le substrat), elles peuvent se répandre sur les photo-sites voisins. Ceci réduit l efficacité de collection (CCE) dans le photo-site concerné, donc l efficacité quantique (η). Un moyen d y pallier partiellement est de considérer les grades ou motifs où des charges sont recensées autour du pixel central. 18
Ceci génère une perte de charge créant pour une raie une queue vers les basses énergies ( shoulder ). Spectre d une source radioactive de 55Fe 19
La diffusion entraîne également une dégradation de l image. Image d un billet de 1$ avec une bonne efficacité de collection Image agrandie 20
Image agrandie Image d un billet de 1$ avec une mauvaise efficacité de collection 21
b) Conversion photons-charges Lorsqu un photon interagit avec le silicium par effet photo-électrique, il cède la totalité de son énergie à un électron qui va faire le saut de la bande de valence à la bande de conduction (atome ionisé). E Bande de conduction photon Eg Bande de valence trou photo-électron 22
Lorsqu un photon interagit avec le silicium par effet photo-électrique, il cède la totalité de son énergie à un électron qui va faire le saut de la bande de valence à la bande de conduction (atome ionisé). L électron est alors libre avec une énergie cinétique EC. Si EC est suffisant, alors le photo-électron initial va créer d autres paires électron-trou. -V +V Un nuage de charge va alors se former. E L application d une polarisation crée un champ électrique E qui va permettre de collecter les électrons dans le canal enterré. Les trous vont se diriger vers le substrat. -V Puits de potentiel 23
Le fond du puits de potentiel est obtenu grâce à la différence de dopage entre les zones P & N. Une barrière de potentiel se crée naturellement à la jonction PN. Le champ électrique peut augmenter la hauteur de barrière. Champ électrique E Zone P Zone N EC Eg EC EV EV Confinement latéral des charges réalisé en réglant le voltage des électrodes (ex. technologie MPP, V1 = V3 = -0,5 V & V2 = 8V). 24
Deux effets se conjuguent pour faire sortir les électrons du puits de potentiel : - l effet thermo-ionique i.e. les électrons gagnent de l énergie via excitation par phonon (agitation thermique). - le champ électrique auto-induit au sein du paquet de charges qui tend à faire remonter les charges sur les bords du puits. Ces 2 effets diminuent la capacité de stockage du puits. 25
Les électrons stockés dans le puits de potentiel ne sont pas uniquement ceux produits par l effet photo-électrique (signal utile). Des paires électrons-trous peuvent être produites également par l agitation thermique (cf. transparent suivant) i.e. le courant d obscurité. Le puits de potentiel contient également un signal offset (N électrons) artificiellement ajouté, le bias. Le bias permet de contrôler et de définir le niveau zéro de chaque photo-site. Le bias et le courant d obscurité constituent des bruits parasites dans l image numérique dont il convient de se débarrasser (cf. VI). 26
Les puits de potentiel peuvent contenir entre quelques 104 et 106 électrons maximum. Plus le puits de potentiel est grand et plus la gamme dynamique de la CCD est grande. La gamme dynamique correspond au rapport entre l objet le plus brillant et l objet le plus faible visibles simultanément dans une image. Certaines CCDs peuvent avoir des gammes dynamiques très grandes (> 100000). Plus la température augmente, plus la capacité du puits diminue. 27
4 Bruit thermique courant d obscurité L agitation thermique dans le cristal de silicium peut générer des paires électron-trou. Le taux de paires électron-trou augmente de manière exponentielle avec la température. 28
Ces porteurs mobiles constituent un bruit parasite le courant d obscurité. Il existe plusieurs courants d obscurité : de surface (défauts profonds à la surface Si-SiO2) dominant de volume (zones neutre et déplétée) Nécessité dans certains cas de refroidir la CCD pour supprimer quasitotalement cette composante de bruit. 29
Exemple de darks (images acquises sur 300s à 10 min d intervalle) T0 (mise ON) T0 + 10 mins (utilisation sans contrôle de la température) 30
5 Taille et forme des photo-sites La capacité d un photo-site est proportionnelle à la surface de celui-ci. De petits photo-sites (qq μm) favorisent une meilleure résolution angulaire, une perte de sensibilité, une diminution de la dynamique et une augmentation du bruit du fait que la capacité de stockage des charges est plus faible. Création de nouvelles formes et tailles de photo-sites (octogones = 2,3 x carrés) par Fuji pour résoudre ce problème. 31